Utilizzando un sensore di risonanza magnetica (MRI) specializzato, i neuroscienziati del MIT hanno scoperto in che modo la dopamina rilasciata in profondità nel cervello influenza sia le regioni cerebrali vicine che quelle distanti.
La dopamina svolge molti ruoli nel cervello, in particolare legati al movimento, alla motivazione e al rafforzamento del comportamento. Tuttavia, fino ad ora è stato difficile studiare con precisione in che modo un’inondazione di dopamina influisce sull’attività neurale in tutto il cervello. Usando la loro nuova tecnica, il team del MIT ha scoperto che la dopamina sembra esercitare effetti significativi in ??due regioni della corteccia cerebrale, inclusa la corteccia motoria.
“C’è stato un sacco di lavoro sulle conseguenze cellulari immediate del rilascio di dopamina, ma qui quello che stiamo guardando sono le conseguenze di ciò che la dopamina sta facendo a un livello più ampio”, afferma Alan Jasanoff, professore del MIT di ingegneria biologica, scienze cerebrali e cognitive e scienze nucleari e ingegneria. Jasanoff è anche membro associato del McGovern Institute for Brain Research del MIT e autore senior dello studio.
Il team del MIT ha scoperto che oltre alla corteccia motoria, l’area cerebrale remota più colpita dalla dopamina è la corteccia insulare. Questa regione è fondamentale per molte funzioni cognitive legate alla percezione degli stati interni del corpo, compresi gli stati fisici ed emotivi.
Nan Li postdoc è l’autore principale dello studio, che appare oggi su Nature .
Tracciamento della dopamina
Come altri neurotrasmettitori, la dopamina aiuta i neuroni a comunicare tra loro a brevi distanze. La dopamina ha un interesse particolare per i neuroscienziati a causa del suo ruolo nella motivazione, nella dipendenza e in diversi disturbi neurodegenerativi, incluso il morbo di Parkinson. La maggior parte della dopamina cerebrale viene prodotta nel mesencefalo da neuroni che si collegano allo striato, dove viene rilasciata la dopamina.
Per molti anni, il laboratorio di Jasanoff ha sviluppato strumenti per studiare come i fenomeni molecolari come il rilascio di neurotrasmettitori influenzano le funzioni a livello cerebrale. Su scala molecolare, le tecniche esistenti possono rivelare in che modo la dopamina influenza le singole cellule e, su scala dell’intero cervello, la risonanza magnetica funzionale (fMRI) può rivelare quanto sia attiva una particolare regione del cervello. Tuttavia, è stato difficile per i neuroscienziati determinare come sono collegate l’attività a cellula singola e la funzione a livello cerebrale.
“Ci sono stati pochissimi studi a livello cerebrale della funzione dopaminergica o di qualsiasi funzione neurochimica, in gran parte perché gli strumenti non ci sono”, dice Jasanoff. “Stiamo cercando di colmare le lacune.”
Circa 10 anni fa, il suo laboratorio ha sviluppato sensori MRI costituiti da proteine ??magnetiche che possono legarsi alla dopamina. Quando si verifica questo legame, le interazioni magnetiche dei sensori con il tessuto circostante si indeboliscono, attenuando il segnale MRI del tessuto. Ciò consente ai ricercatori di monitorare continuamente i livelli di dopamina in una parte specifica del cervello.
Nel loro nuovo studio, Li e Jasanoff hanno iniziato ad analizzare come la dopamina rilasciata nello striato di ratti influenza la funzione neurale sia localmente che in altre regioni del cervello. Innanzitutto, hanno iniettato i loro sensori di dopamina nello striato, che si trova in profondità nel cervello e svolge un ruolo importante nel controllo del movimento. Quindi hanno stimolato elettricamente una parte del cervello chiamata ipotalamo laterale, che è una tecnica sperimentale comune per premiare il comportamento e indurre il cervello a produrre dopamina.
Quindi, i ricercatori hanno usato il loro sensore di dopamina per misurare i livelli di dopamina in tutto lo striato. Hanno anche eseguito la risonanza magnetica tradizionale per misurare l’attività neurale in ciascuna parte dello striato. Con loro sorpresa, hanno scoperto che alte concentrazioni di dopamina non hanno reso i neuroni più attivi. Tuttavia, livelli più elevati di dopamina hanno fatto rimanere i neuroni attivi per un periodo di tempo più lungo.
“Quando la dopamina fu rilasciata, ci fu una durata più lunga dell’attività, suggerendo una risposta più lunga alla ricompensa”, dice Jasanoff. “Ciò potrebbe avere a che fare con il modo in cui la dopamina promuove l’apprendimento, che è una delle sue funzioni chiave”.
Effetti a lungo raggio
Dopo aver analizzato il rilascio di dopamina nello striato, i ricercatori hanno deciso di determinare che questa dopamina potrebbe influenzare posizioni più distanti nel cervello. Per fare ciò, hanno eseguito l’imaging tradizionale fMRI sul cervello mentre mappavano anche il rilascio di dopamina nello striato. “Combinando queste tecniche abbiamo potuto sondare questi fenomeni in un modo che non era mai stato fatto prima”, afferma Jasanoff.
Le regioni che hanno mostrato i maggiori aumenti di attività in risposta alla dopamina sono state la corteccia motoria e la corteccia insulare. Se confermati in ulteriori studi, i risultati potrebbero aiutare i ricercatori a comprendere gli effetti della dopamina nel cervello umano, compresi i suoi ruoli nella dipendenza e nell’apprendimento.
“I nostri risultati potrebbero portare a biomarcatori che potrebbero essere visti nei dati della fMRI e questi correlati della funzione dopaminergica potrebbero essere utili per l’analisi della fMRI animale e umana”, afferma Jasanoff.
La ricerca è stata finanziata dal National Institutes of Health e da una Stanley Fahn Research Fellowship della Parkinson’s Disease Foundation.